Способ ликвидации просадки и снижения сейсмической нагрузки на основание фундамента сооружения, возводимого на просадочных грунтах в сейсмическом районе Российский патент 2024 года по МПК E02D27/34 

Изобретение относится к строительству в районах распространения просадочных грунтов на сейсмически опасных территориях и предназначено для ликвидации просадки основания здания и снижения сейсмической нагрузки на основание фундамента здания.

Известны способы строительства зданий на просадочных грунтах в сейсмических районах согласно действующим в РФ Сводам Правил СП 22.13330.2017 «Основания зданий и сооружений», п.6.1.27 (б), стр. 67: «Устранение просадочных свойств грунтов достигается: пробивкой скважин с заполнением их уплотненным глинистым грунтом с предварительным замачиванием грунтов основания», что весьма дорого и не всегда выполнимо. Сваи в сейсмических районах и с одновременным наличием просадочных грунтов также требуют весьма дорогостоящих и материалоемких мероприятий по удовлетворению требований СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» п.п.12.2 стр. 59, 12.10, стр.61.

Кроме того, что описанные выше способы весьма затратны и трудоемки, они не приводят к снижению сейсмичности участка строительства, т.к. не меняют демпфирующие свойства грунтов, скорости продольных и поперечных волн, а также плотности грунтов. Под снижением сейсмичности участка строительства понимается отрицательное приращение сейсмичности, возникающее на основании приращения скоростей продольных и поперечных волн в массиве грунтов, приводящих к уменьшению периода его собственных колебаний. Согласно Сводам Правил СП 22.13330.2017 «Основания зданий и сооружений» п.6.1.27 (а), лист 63: «6.1.27 Устранение просадочных свойств грунтов достигается: а) в пределах верхней зоны просадки или ее части – уплотнением тяжелыми трамбовками, устройством грунтовых подушек, вытрамбовыванием котлованов, в том числе с устройством уширения из жесткого материала (бетона, щебня, песчано-гравийной смеси), химическим или термическим закреплением». Однако уплотненный грунт в грунтовых подушках обладает пониженными механической и сейсмической жесткостями и применяется в основном на площадках с I типом грунтовых условий по просадочности, т.е. для небольших просадочных толщ (до 5-7 м) и несейсмических районах, т.к. грунты уплотненной подушки (с показателем консистенции в большинстве случаев, равным 0,5) могут быть отнесены только к III категории сейсмических свойств грунтов по классификации Свода Правил СП 14.13330.2018 Строительство в сейсмических районах, Таблица 4.1 стр.8. Наиболее эффективны и имеют высокие механическую и сейсмическую жесткость искусственные подушки из уплотненных инертных сыпучих дренирующих материалов: песков, песчано-гравийных смесей (ПГС), так как обладают наибольшими по сравнению с другими природными грунтами жесткость и прочность и могут быть отнесены ко II категории по Своду Правил 14.13330.2018 Строительство в сейсмических районах, Таблица 4.1 стр.8.

Однако, на площадках строительства в просадочных грунтах со II типом грунтовых условий по просадочности (для которых характерны большие просадочные толщи 15-20 м и более), применение подушек из дренирующих (фильтрующих) материалов, к которым относятся пески и ПГС не разрешается вследствие фильтрации сквозь них воды и замачивания окружающих просадочных грунтов, которое приводит к их просадкам. Устранить негативное влияние дренирующих свойств ПГС при их применении в уплотненных подушках в просадочных грунтах II типа можно путем гидроизоляции контакта последних с контурами подушек. Таким образом, наиболее перспективным методом ликвидации просадки и снижения сейсмической нагрузки на фундамент здания, возводимого на просадочных грунтах в сейсмическом районе является устройство уплотненной подушки из ПГС с ее полной, по всем контурам гидроизоляцией.

Известен, также способ сейсмоизоляции фундаментов по патенту РФ №2406803. Сейсмоизолирующий фундамент состоит из опорной жесткой части и слоя из сыпучего материала, который обладает свойством переуплотнения, большой пористостью, деформируемостью и малым сцеплением, уложенного на основание. Сыпучий слой является демпфером, в котором происходит явление рассеивания части энергии (диссипация). В демпфере из-за возникновения сухого и вязкого трения происходит уменьшение амплитуд колебания (смещения, скорости, ускорения), что приводит к снижению силы колебаний от 0,5 до 2,7 баллов. Способ, включающий разработку котлована, формирование на дне котлована дренажной системы, связанной с водоотводящей сетью, отсыпку подушки на часть глубины котлована, размещение на подушке фундаментных блоков и засыпку пазух котлована, отличающийся тем, что выявляют нижний уровень прогнозируемой сейсмоопасности места заложения фундамента, после чего при соответствии нижнего уровня прогнозируемой сейсмоопасности уровню колебаний последовательно 4, 5 и 5,4 баллам балла засыпку пазух и отсыпку подушки выполняют из песка, щебня при различных толщинах подушек, соответствующим землетрясениям различной балльности.

Недостатком данного технического решения является то, что оно неприменимо для просадочных грунтов, т.к.:

- производится выемка сильно-сжимаемых грунтов не на полную глубину, и подушка не прорезает просадочную толщу;

- не предусмотрена гидроизоляция и не закрыты внешние боковые контуры фильтрации воды в песчаной подушке;

- не предусмотрены мероприятия по ликвидации влияния деформаций грунтов за пределами подушки на основание здания;

- не предусмотрены необходимые габариты подушки для снижения сейсмичности участка строительства т.к. размеры песчаных подушек ограничиваются контурами зданий, что недостаточно для снижения сейсмичности участка, потому, что для снижения сейсмичности участка необходимо, чтобы размер препятствия был сопоставим с длиной поперечной волны в массиве грунта при землетрясении;

- не оговорена плотность уплотняемых слоев песка при их укладке, что может привести к их недостаточному уплотнению и чрезмерной осадке фундамента;

- применение песка для подушки, менее предпочтительно, т.к. песок по сравнению с ПГС имеет более низкие прочностные и деформационные характеристики и песок более склонен к разжижению при сейсмических воздействиях;

- не оговорены допускаемые уклоны откосов котлована и не предусмотрена ступенчатая форма уступов котлована;

- не предусмотрена вертикальная гидроизоляция подушки на стыке контуров котлована и окружающих грунтов;

- не предусмотрены мероприятия, компенсирующие деформации фундамента.

Технический результат

Техническим результатом предлагаемого способа ликвидации просадки и снижения сейсмической нагрузки на основание фундамента здания, возводимого на просадочных грунтах в сейсмическом районе является повышение надежности, безопасности и снижение материалоемкости здания, возводимого на просадочных грунтах в сейсмическом районе с балльностью, включающей 9 баллов.

Раскрытие сущности изобретения

Вышеуказанные недостатки способа сейсмоизоляции фундаментов по патенту РФ №2406803 устраняются в предлагаемом техническом решении тем, что:

- до откопки котлована для устройства подушки производят работы по микросейсморайонированию площадки строительства с определением расчетной сейсмичности, скоростей, длин продольных и поперечных волн Lw в массиве просадочных лессовых грунтов;

- перед строительством выполняют математическое моделирование расчетных деформаций основания фундамента здания, определение необходимых глубины и длины при просадках окружающих грунтов от собственного веса и прогнозируют накопление сейсмической осадки;

- выполняют большеразмерный котлован для устройства уплотненной подушки из ПГС до кровли непросадочного грунта с размерами контуров на уровне дна котлована не менее вертикальной проекции на него контуров фундаментов здания, увеличенных в каждую сторону на длину отрезков L_k, за пределами которых расчетные деформации фундамента здания не превышают допускаемых нормами деформаций фундаментов здания при просадках окружающих просадочных грунтов естественной структуры от собственного веса и накопленной сейсмической осадки, а размер уплотненной подушки по верху должен быть не менее длины волны при землетрясении L≥Lw;

- при откопке формируют откосы котлованов лессовых глинистых грунтов естественной влажности и структуры в виде ступеней с соотношением высоты уступа к горизонтальному заложению в пределах 1:0,75-1:1;

- послойно засыпают ПГС и уплотняют его до заданного коэффициента уплотнения;

- в процессе засыпки котлована во всех отсыпаемых слоях ПГС формируют зоны дозированного увлажнения в грунтах, прилегающих снаружи к ступенчатым откосам; после увлажнения производят уплотнение ПГС грунтоуплотняющими механизмами, что сопровождается вдавливанием-втрамбовыванием его в подстилающий ступени и прилегающий сбоку к уступам естественный грунт, уплотняя его и формируя наружный контур гидроизоляции вокруг котлована, который препятствует миграции влаги;

- после окончания работ по засыпке и уплотнению ПГС производят работы по повторному контрольному микросейсморайонированию участка строительства с определением новых скоростей и длин продольных и поперечных волн и определяют снижение сейсмической нагрузки на фундамент сооружения и производят повторное математическое моделирование расчетных деформаций основания фундамента здания при просадках окружающих грунтов от собственного веса и прогнозируют накопление сейсмической осадки; укладывают по верху подушки из ПГС водонепроницаемую мембрану, затем устраивают фундамент;

- в краевую зону фундамента на расчетные ширину и глубину закладываются инъекционные компенсационные трубки для инъекционной компенсации твердеющими растворами возможных деформаций основания фундамента вследствие просадок окружающих грунтов и накопления сейсмических осадок в основании фундамента при повторяющихся землетрясениях.

Способ ликвидации просадки и снижения сейсмической нагрузки на основание фундамента (1) здания (Фиг. 1), возводимого на просадочных грунтах в сейсмическом районе, включающем рытье котлована (2), удаление из котлована просадочных грунтов (3) и их замену на послойно уплотненную подушку из ПГС (4) выполняют следующим образом:

- до устройства котлована (2) производят работы по микросейсморайонированию (5) площадки строительства с определением расчетной сейсмичности, скоростей, длин продольных и поперечных волн Lw в массиве просадочных лессовых грунтов (3), а также начальную геодезическую высотную съемку кромки котлована (2);

- после микросейсморайонирования до начала строительства выполняют математическое моделирование расчетных деформаций основания фундамента (1) здания при просадках окружающих грунтов (3) от собственного веса и прогнозируют накопление сейсмической осадки;

- котлован (2) отрывают до кровли (6) непросадочных грунтов длиной по верху L стороны котлована (2) большей или равной длине волны колебаний Lw при землетрясении (L≥Lw);

- размеры контуров дна котлована (2) принимают не менее вертикальной проекции на него контуров фундамента (1) здания, увеличенных на длину отрезков L_k, за пределами которых расчетные деформации основания фундамента 1 здания не превышают допускаемых нормами деформаций, происходящих при просадках окружающих просадочных грунтов естественной структуры от собственного веса;

- откосы котлованов лессовых глинистых грунтов естественной влажности и структуры формируют в виде ступеней с соотношением высоты уступа ступени (7) к горизонтальному заложению ступени (8) в пределах не менее 1:0,75;

- после откопки котлована выполняют послойно-уплотненную подушку из ПГС (4); для устройства уплотненной подушки (4) применяют ПГС фракций не крупнее 0-150 мм, уплотненный до требуемого проектом коэффициента уплотнения;

- при достижении поверхностью возводимой подушки (4) плоскостей ступеней (8) производят контроль влажности грунтов ступеней (8) и вертикальных уступов (7): при влажности грунтов в ступенях и уступах ниже влажности на пределе раскатывания производят их дозированное увлажнение до достижения влажности грунта на границе раскатывания в пределах зон замачивания (9); при необходимости устраивают углубления (10) для увлажнения грунта в ступенях (8), а также в краевой зоне (11) подушки из ПГС (4), примыкающей к уступам (7) на этапе послойного уплотнения подушки (4);

- подушку (4) устраивают из ПГС методом послойного механического уплотнения слоями толщиной, обеспечивающей получение коэффициента уплотнения в теле подушки (4) не ниже требуемых значений по проекту; в зонах (10,11), примыкающих к ступеням (8) и уступам (7) по всей площади котлована, включая его периметр, производят уплотнение ПГС до требуемого проектом коэффициента уплотнения, а в краевой зоне грунтов вертикальных уступов (7) и ступеней (8) - до коэффициента уплотнения, обеспечивающего получение требуемого по проекту коэффициента фильтрации уплотненного лессового грунта в пределах зоны 17;

- после доведения подушки (4) до проектной высотной отметки (13) производят работы по повторному контрольному микросейсморайонированию (14) с определением новых значений расчетной сейсмичности, скоростей и длин продольных и поперечных волн, статических и динамических коэффициентов жесткости основаниями и производят повторное математическое моделирование расчетных деформаций основания фундамента здания при просадках окружающих грунтов от собственного веса и прогнозируют накопление сейсмической осадки;

- по верху всей подушки настилают водонепроницаемую мембрану (15), выполняющую роль водозащиты верха подушки на весь период эксплуатации; затем выполняют фундамент (1);

- при проектировании и выполнении фундамента (1) и надземных конструкций учитываются новые расчетные значения статических и динамических коэффициентов жесткости основания здания и сейсмичности площадки строительства за счет устройства масштабной крупноразмерной подушки из ПГС (4);

- в краевую зону фундамента (1) на расчетные ширину и глубину закладываются инъекционные компенсационные трубки (16) для инъекционной компенсации твердеющими растворами возможных деформаций оснований при просадках окружающих грунтов и землетрясениях.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 изображен котлован здания для реализации способа.

1 - фундамент здания;

2 - котлован;

3 - просадочные грунты;

4 - уплотненная подушка из ПГС;

5 - начальное сейсморайонирование;

6 - кровля непросадочных грунтов;

7 - высота уступов;

8 - ширина горизонтальной ступени;

9 - зоны дозированного увлажнения;

10 - углубления в грунтах ступеней для замачивания;

11 - углубления в ПГС для замачивания вблизи уступов;

12 - уплотняющий механизм;

13 - проектная отметка верха подушки;

14 - повторное микросейсморайонирование;

15 - водозащитная мембрана;

16 - инъекционные трубки;

17 - наружный контур гидроизоляции.

Осуществление изобретения

Способ реализуют следующим образом в 4 этапа (фиг.1):

- на первом этапе до устройства фундамента (1) здания, котлована (2) в просадочном грунте (3), уплотненной подушки из ПГС (4) производят работы по начальному микросейсморайонированию (5) площадки строительства с определением: расчетной сейсмичности, скоростей, длин продольных и поперечных волн Lw, а также математическое моделирование; далее производят начальную геодезическую высотную съемку бортов котлована, плановую разбивку верха котлована (2) и производят откопку котлована с размерами контуров на уровне дна котлована не менее вертикальной проекции на него контуров фундаментов здания, увеличенных в каждую сторону на длину отрезков L_k, за пределами которых расчетные деформации не превышают допускаемых нормами деформаций фундаментов здания при просадках окружающих просадочных грунтов естественной структуры от собственного веса, а размер котлована по верху должен быть не менее длины волны при землетрясении L≥Lw;

- при откопке формируют откосы котлованов лессовых глинистых грунтов естественной влажности и структуры в виде ступеней с соотношением высоты уступа (7) к горизонтальному заложению (8) в пределах 1:0,75-1:1;

- на втором этапе производят засыпку первого слоя ПГС в котлован и его уплотнение; перед началом уплотнения производят контроль влажности грунтов вертикальных уступов (7): при влажности грунтов ниже влажности на пределе раскатывания производят их дозированное увлажнение из приямков (11), выполненных в слое ПГС до достижения влажности грунта на границе раскатывания в пределах зон замачивания (9); Коэффициент уплотнения ПГС по всей площади слоя, включая краевые зоны, должен быть не менее 0,95, в этом случае формируются уплотненный, наружный контур гидроизоляции (17);

- на третьем этапе, когда уровень насыпи из ПГС достигнет отметок верха первой снизу ступени (8), выполняют уплотнение отсыпанного слоя ПГС, оставляя пока неуплотненную ступень (8), затем контролируют влажность грунтов ступени (8), при необходимости увлажняют ее из углубления (10) до достижения влажности грунтов на границе раскатывания, и уплотняют, при необходимости, досыпая и уплотняя ПГС до заданного коэффициента уплотнения не менее 0,95;

- на четвертом этапе повторяют, чередуя, действия, описанные на первых двух этапах до заполнения котлована (2) уплотненной подушкой из ПГС (4) на проектную отметку (13), создавая подушку из послойно уплотненного ПГС (4) в основании фундамента (1) здания, имеющую размеры L сопоставимые с длиной волны при землетрясении L≥Lw, оконтуренную по глубине водозащитным экраном (17); затем сверху подушки укладывают горизонтальную водозащитную мембрану (15), устраивают фундамент (1), производят повторное микросейсморайонирование (14), и повторное математическое моделирование с целью установления эффекта снижения сейсмичности площадки строительства за счет перевода грунтов из III сейсмической категории в II (согласно классификации грунтов по сейсмическим свойствам по СП 14.13330 (Таблица 4.1 стр.8).

Затем:

- по верху всей подушки настилают водонепроницаемую мембрану (15), выполняющую роль водозащиты верха подушки на весь период эксплуатации; затем выполняют фундамент (1);

- в краевую зону фундамента (1) на расчетные ширину и глубину закладываются инъекционные компенсационные трубки (16) для инъекционной компенсации твердеющими растворами возможных деформаций оснований при просадках окружающих грунтов и землетрясениях.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

песчано-гравийных смесей - ПГС.

Изобретение относится к строительству, в частности предназначено для ликвидации просадки основания здания и снижения сейсмической нагрузки на основание фундамента здания. Способ ликвидации просадки и снижения сейсмической нагрузки на основание фундамента сооружения, возводимого на просадочных грунтах в сейсмическом районе, включает устройство уплотненной подушки из песчано-гравийных смесей (ПГС) в его основании. Способ ликвидации просадки и снижения сейсмической нагрузки на основание фундамента сооружения реализуют в 4 этапа. На первом этапе до устройства фундамента здания, котлована в просадочном грунте, уплотненной подушки из ПГС производят работы по начальному микросейсморайонированию площадки строительства с определением расчетной сейсмичности, скоростей, длин продольных и поперечных волн Lw, а также математическое моделирование; далее производят начальную геодезическую высотную съемку бортов котлована, плановую разбивку верха котлована и производят откопку котлована с размерами контуров на уровне дна котлована не менее вертикальной проекции на него контуров фундаментов здания, увеличенных в каждую сторону на длину отрезков L_k, за пределами которых расчетные деформации не превышают допускаемых нормами деформаций фундаментов здания при просадках окружающих просадочных грунтов естественной структуры от собственного веса, а размер котлована по верху выполняют не менее длины волны при землетрясении L≥Lw; при откопке формируют откосы котлована лессовых глинистых грунтов естественной влажности и структуры в виде ступеней с соотношением высоты вертикального уступа к горизонтальному заложению в пределах 1:0,75-1:1. На втором этапе производят засыпку первого слоя ПГС в котлован и его уплотнение; перед началом уплотнения производят контроль влажности грунтов вертикальных уступов: при влажности грунтов ниже влажности на пределе раскатывания производят их дозированное увлажнение из приямков, выполненных в слое ПГС до достижения влажности грунта на границе раскатывания в пределах зон замачивания; коэффициент уплотнения ПГС по всей площади слоя, включая краевые зоны, устанавливают не менее 0,95, с формированием уплотненного наружного контура гидроизоляции в виде водозащитного экрана. На третьем этапе, при достижении уровня насыпи из ПГС отметок верха первой снизу ступени, выполняют уплотнение отсыпанного слоя ПГС, оставляя пока неуплотненную ступень, затем контролируют влажность грунтов ступени, при необходимости увлажняют ее из углубления до достижения влажности грунтов на границе раскатывания, и уплотняют, при необходимости, досыпая и уплотняя ПГС до заданного коэффициента уплотнения не менее 0,95. На четвертом этапе повторяют, чередуя, действия первых двух этапов до заполнения котлована уплотненной подушкой из ПГС на проектную отметку, создавая подушку из послойно уплотненного ПГС в основании фундамента здания, имеющую размеры L, сопоставимые с длиной волны при землетрясении L≥Lw, оконтуренную по глубине водозащитным экраном; затем сверху подушки укладывают горизонтальную водонепроницаемую мембрану, устраивают фундамент, производят повторное микросейсморайонирование и повторное математическое моделирование с целью установления эффекта снижения сейсмичности площадки строительства за счет перевода грунтов из III сейсмической категории во II; после чего по верху всей подушки настилают водонепроницаемую мембрану, выполняющую роль водозащиты верха подушки на весь период эксплуатации; затем выполняют фундамент; а в краевую зону фундамента на расчетные ширину и глубину закладывают инъекционные компенсационные трубки для инъекционной компенсации твердеющими растворами возможных деформаций оснований при просадках окружающих грунтов и землетрясениях. Технический результат состоит в повышении надежности, безопасности и снижении материалоемкости здания, возводимого на просадочных грунтах в сейсмическом районе с балльностью, включающей 9 баллов. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ ликвидации просадки и снижения сейсмической нагрузки на основание фундамента сооружения, возводимого на просадочных грунтах в сейсмическом районе, включающий устройство уплотненной подушки из песчано-гравийных смесей (ПГС) в его основании, отличающийся тем, что способ ликвидации просадки и снижения сейсмической нагрузки на основание фундамента сооружения реализуют в 4 этапа, а именно:

- на первом этапе, до устройства фундамента (1) здания, котлована (2) в просадочном грунте (3), уплотненной подушки из ПГС (4), производят работы по начальному микросейсморайонированию (5) площадки строительства с определением расчетной сейсмичности, скоростей, длин продольных и поперечных волн Lw, а также математическое моделирование; далее производят начальную геодезическую высотную съемку бортов котлована, плановую разбивку верха котлована (2) и производят откопку котлована с размерами контуров на уровне дна котлована не менее вертикальной проекции на него контуров фундаментов здания, увеличенных в каждую сторону на длину отрезков L_κ, за пределами которых расчетные деформации не превышают допускаемых нормами деформаций фундаментов здания при просадках окружающих просадочных грунтов естественной структуры от собственного веса, а размер котлована по верху выполняют не менее длины волны при землетрясении L≥Lw; при откопке формируют откосы котлована лессовых глинистых грунтов естественной влажности и структуры в виде ступеней с соотношением высоты вертикального уступа (7) к горизонтальному заложению (8) в пределах 1:0,75-1:1;

- на втором этапе производят засыпку первого слоя ПГС в котлован и его уплотнение; перед началом уплотнения производят контроль влажности грунтов вертикальных уступов (7): при влажности грунтов ниже влажности на пределе раскатывания производят их дозированное увлажнение из приямков (11), выполненных в слое ПГС до достижения влажности грунта на границе раскатывания в пределах зон замачивания (9); коэффициент уплотнения ПГС по всей площади слоя, включая краевые зоны, устанавливают не менее 0,95, с формированием уплотненного наружного контура гидроизоляции (17) в виде водозащитного экрана;

- на третьем этапе, при достижении уровня насыпи из ПГС отметок верха первой снизу ступени (8), выполняют уплотнение отсыпанного слоя ПГС, оставляя пока неуплотненную ступень (8), затем контролируют влажность грунтов ступени (8), при необходимости увлажняют ее из углубления (10) до достижения влажности грунтов на границе раскатывания, и уплотняют, при необходимости, досыпая и уплотняя ПГС до заданного коэффициента уплотнения не менее 0,95;

- на четвертом этапе повторяют, чередуя, действия первых двух этапов до заполнения котлована (2) уплотненной подушкой из ПГС (4) на проектную отметку (13), создавая подушку из послойно уплотненного ПГС (4) в основании фундамента (1) здания, имеющую размеры L, сопоставимые с длиной волны при землетрясении L≥Lw, оконтуренную по глубине водозащитным экраном (17); затем сверху подушки укладывают горизонтальную водонепроницаемую мембрану (15), устраивают фундамент (1), производят повторное микросейсморайонирование (14) и повторное математическое моделирование с целью установления эффекта снижения сейсмичности площадки строительства за счет перевода грунтов из III сейсмической категории во II; после чего, по верху всей подушки настилают водонепроницаемую мембрану (15), выполняющую роль водозащиты верха подушки на весь период эксплуатации; затем выполняют фундамент (1); а в краевую зону фундамента (1), на расчетные ширину и глубину, закладывают инъекционные компенсационные трубки (16) для инъекционной компенсации твердеющими растворами возможных деформаций оснований при просадках окружающих грунтов и землетрясениях.